陳輝

（武漢工程大學郵電與信息工程學院 機電學部，湖北 武漢430073）

聚晶金剛石-硬質合金復合片（PDC）是由金剛石微粉和WC-Co硬質合金在超高溫高壓下合成的。其中WC-Co硬質合金層厚度是聚晶層的5倍以上。所以硬質合金基體對整個PDC復合片的性能有著重大的影響。研究表明［31］在金剛石含量和晶粒度相同的情況下，聚晶金剛石復合片的性能在很大程度上取決于基體材料的性能（基體的抗沖擊性能、抗彎強度、硬度、組織結構、燒結溫度及對金剛石的包容性等），如在PDC鉆頭的鉆進過程中，當遇到研磨性很強的巖層時，就要求基體材料具有很強的抗沖擊性能，以避免PDC鉆頭因基體材料先于金剛石層崩裂而導致金剛石層脫落而影響鉆進過程。在聚晶金剛石-硬質合金復合片的合成過程中，WC-Co硬質合金會再次燒結成型，此過程與WC-Co硬質合金制造時的燒結過程類似，但是由于復合片的合成是在超高壓（5.5～6GPa）、溫度為1450℃、保溫時間300s左右的環(huán)境下合成的，故與再次燒結過程有所區(qū)別。因此，研究硬質合金襯底在高溫高壓前后的沖擊韌性有著重要的意義。本文將比較不同鈷含量、不同硬度的硬質合金襯底在高溫高壓前后沖擊韌性的變化；以及比較相同鈷含量條件下，經(jīng)過高溫高壓和未經(jīng)過高溫高壓的硬質合金沖擊韌性的變化；以便為提高硬質合金襯底的抗沖擊性能提供依據(jù)。

1 實驗方案

1.1 試樣制備

選取三種指定鈷含量和指定硬度的聚晶金剛石-硬質合金復合片（PDC）襯底（具體參數(shù)見表1、表2、表3）。每種取一半完全按照PDC復合片的生產(chǎn)工藝進行高溫高壓處理（如圖1所示）：組裝塊在6×8MN鉸鏈式六面頂液壓機上進行高溫高壓合成，合成壓力為5.5～6GPa，合成溫度為1450℃，保溫時間分別為300s；另一半作為對比不做任何處理［1］。

圖1 合成塊組裝示意圖Fig.1 Assembly diagram of the synthesis block

圖2 PDC復合片成品Fig.2 PDC finished products

1.2 性能檢測

將高溫高壓處理后的樣品拋光腐蝕，觀察金相并用圖形處理軟件觀察高壓后的鈷含量［2］，在其中選取兩組不同鈷含量的樣品，并在未經(jīng)處理的樣品中選取兩組相同鈷含量的樣品。將所有試樣在沖擊試驗機上進行抗沖擊性能測試。用沖擊試驗機測試以上所有樣品的抗沖擊次數(shù)。其結果如表3所示。

該沖擊試驗機原理如圖3所示：

圖3 沖擊試驗原理圖Fig.3 The principle diagram of the impact test

2 實驗結果

表1 不同鈷含量硬質合金襯底在各種環(huán)境下的沖擊韌性Table 1 The impact toughness of tungsten carbide substrate with different cobalt content under various environment

表2 不同硬度硬質合金襯底在各種環(huán)境下的沖擊韌性Table 2 The impact toughness of cemented carbide substrate with different hardness under various environment

表3 高壓后鈷含量與未經(jīng)過高壓的同一鈷含量的硬質合金沖擊韌性Table 3 The impact toughness of cemented carbide with same cobalt content before and after high temperature and high pressure

3 結果分析與討論

3.1 不同鈷含量硬質合金襯底在高溫高壓環(huán)境下沖擊韌性的變化

沖擊韌性其實就是材料在受沖擊破壞前吸收能量和進行塑性變形的能力，當試樣受沖擊破壞時，會存在多種斷裂方式。WC晶粒是解里斷裂，WC晶粒之間是邊界斷裂，在粘結金屬鈷中則是剪切斷裂，一般來說，WC晶粒度越大，解理斷裂量越多，邊界斷裂量越少。而剪切斷裂量則是隨著粘結金屬鈷含量的增加而增加的。在承受沖擊的過程中，絕大多數(shù)沖擊能量由鈷相剪切，變形和斷裂來吸收，而解理斷裂和邊界斷裂所吸收的沖擊能量是很少的。因此，鈷相的含量以及鈷相的分布是決定WC-Co硬質合金沖擊韌性的主要因素。WC晶粒尺寸也會影響其沖擊韌性。表1中未經(jīng)過處理的一組試樣正好說明了這一結果；在表1中經(jīng)過高溫高壓處理的一組試樣中，沖擊韌性同樣和鈷含量成正比，相關研究表明［3］，在PDC復合片壓制過程中，鈷會向金剛石層擴散，表1中表明同一試樣經(jīng)過高溫高壓后，沖擊韌性有所降低。

3.2 不同硬度硬質合金襯底在高溫高壓環(huán)境下沖擊韌性的變化

硬質合金的硬度對其沖擊韌性的影響主要體現(xiàn)在WC晶粒解理斷裂方面，由于 WC晶粒之間是邊界斷裂，所以 WC晶粒的大小和分布均勻性在某一范圍內與其沖擊韌性成正比。硬質合金的硬度隨著鈷含量的增加或WC晶粒的增大其硬度下降［4］。相關研究表明：WC晶粒的長大趨勢隨著燒結溫度的升高而增大。表2中經(jīng)過高溫高壓處理的一組數(shù)據(jù)顯示硬質合金的硬度和沖擊韌性成反比。其原因是由于WC在液相鈷中的溶解度和溶解速度也隨著溫度的升高而增大，經(jīng)過高溫再次燒結的硬質合金基體的晶粒尺寸會有所減小，硬度越大的硬質合金晶粒尺寸減小的趨勢越厲害［5］。且此時鈷（Co）會向金剛石層有少量滲透，導致硬質合金基體的鈷相減少，邊界斷裂所需要的能量減小，使得硬質合金襯底的沖擊韌性有所下降。

3.3 高壓后鈷含量與未經(jīng)過高壓的同一鈷含量的硬質合金襯底沖擊韌性的變化

表3中結論顯示在高壓后對比相同鈷含量的硬質合金試樣，沒有高溫高壓處理過的硬質合金沖擊韌性較高。事實上，由于高壓過程中總有鈷的析出，所以高壓處理的一組試樣在處理之前鈷含量一定比不經(jīng)處理的一組要略高，此結果與表1的結論不符。事實上，在硬質合金的再次燒結過程中，鈷向金剛石層擴散對沖擊韌性的影響是次要的。綜合分析表1和表3，結果顯示硬質合金的再次燒結（高溫高壓處理）會使大顆粒WC在液相鈷中的溶解量減少，并且溶解速度下降，因此抑制了大顆粒WC的聚集再結晶和液相重結晶。此時小顆粒WC仍能溶解于液相鈷中并聚集再結晶?？傮w來說就是這組試樣的WC顆粒平均直徑下降，從而使得試樣邊界斷裂所需要的能量減小，沖擊韌性下降。

4 結論

（1）硬質合金在不經(jīng)過高溫高壓處理條件下，其沖擊韌性在一定范圍內與鈷含量、硬度成正比；

（2）硬質合金在經(jīng)過高溫高壓處理后，其沖擊韌性在一定范圍內與鈷含量成正比，與硬度成反比；

（3）同一鈷含量的硬質合金，在WC平均晶粒區(qū)別不大的情況下，經(jīng)過高溫高壓處理的硬質合金沖擊韌性有所降低。

［1]柴津萩，王光祖.PDC的制備技術及其參數(shù)對產(chǎn)品特性的影響［J］.超硬材料工程，2007.19（6）：37-41.

［2]陳輝.WC-Co硬質合金抗彎強度的一種無損傷分析方法［J］.機電工程技術，2010（3）：24-27.

［3]黎明發(fā)，張力，等.金剛石復合片的性能檢測及發(fā)展趨勢［J］.武漢理工大學學報信息與管理工程版，2007.29（6）：01-04.

［4]斤曾篤，周學軍，曹振駿.多晶金剛石復合材料的某些質量問題［J］.高壓物理學報，1991，5（3）：215-219.

［5]鄧福銘，陳小華，陳啟武.PDC材料在超高壓燒結中聚晶金剛石晶粒異常生長及及其抑制機制的研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2001（2）：5-9.